最近，劍橋大學與浙江大學的研究團隊，在Nature Communications合作發表了題為“The role of photon recycling in perovskite light-emitting diodes”的論文，研究了高效率鈣鈦礦發光二極管（鈣鈦礦LED）中光子回收效應的影響，為器件發光效率的進一步提升提供了思路。劍橋大學的Changsoon Cho博士是論文的第一作者，劍橋大學的Neil Greenham教授、Felix Deschler博士與浙江大學光電學院的狄大衛研究員是論文的通訊作者。
讓大部分的光子從平面型LED中發射出來并非易事。造成這個問題的最主要因素是LED材料與空氣的折射率存在差異 ，因此一般情況下只有一小部分光才能直接逃逸；其余的光因為全反射作用，大多被限制在LED器件中并最終以熱的形式耗散。材料的折射率越高，這個問題就愈加嚴重，因此一般而言只有20%左右的光能夠從LED的表面輻射出來。
造成80%的光損耗顯然是不利的，LED領域的研究人員為了避免這種情況，采用了各種方法。例如，在有機LED中，一種用來提高出光效率的方式是控制發光分子的位置和取向。另一個比較常見的方法是在器件中引入微納結構，造成光的散射以利于提取光子。當然，這些提升一般都是特殊光學設計的結果。然而有一種新的LED技術，它在沒有刻意優化光學設計的情況下就產生了高效率，這可以說是出人意料的。
這種新型技術就是鈣鈦礦LED，它與鈣鈦礦太陽能電池一樣，也逐漸成為了學界關注的熱點。鈣鈦礦LED領域的研究人員(包括作者團隊)，僅用了短短4年的時間，就將器件的外量子效率從低于1%提高到了20%以上。其中一部分研究組的高效率結果，只能用出光率的提升來解釋。而這種提升，究竟是由于器件的光學結構特殊，導致光更容易從正面出射，還是因為鈣鈦礦本身的一些特殊的性質，幫助光子從器件里逃脫？
圖1: 傳統薄膜LED模型(左圖)與鈣鈦礦LED光子回收效應(右圖)的對比。前者受到全反射導致的波導效應的限制；后者因為光子回收作用，提高了出光率的理論上限。
論文作者的研究表明，光子回收效應在出光過程中扮演了重要的角色。這種效應背后的原理很簡單：在器件中沿側向傳播(波導模式)的熒光被鈣鈦礦發光材料重新吸收，而這些原本應被耗散的能量，通過輻射復合，有了再一次產生光子的機會。由于重新產生的光子的輻射方向是隨機的(有可能避開導致全反射的角度)，因此它又獲得了一定的概率從器件中逃逸。第一次沒有成功逃逸的光子，還能夠再一次被鈣鈦礦吸收并發射，如此循環，因而被“回收利用”。與有機半導體不同，鈣鈦礦半導體的發光譜與吸收譜一般有著較顯著的重疊，因此在一些新型鈣鈦礦LED材料中，由于鈣鈦礦材料自身的發光效率足夠高，理論上有30%-70%的電致發光可能是由光子回收貢獻的。在未來的研究中，如果能夠進一步減少鈣鈦礦LED器件中電極材料的吸收，將出光率以及外量子效率提高到接近100%也將成為可能。